Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Sinh Học

15/05/2023

https://youtu.be/2z0uLS8oQ_I

The ground-breaking FieldFOOD project will demonstrate the successful and real-scale introduction of Pulsed Electric Field (PEF) technology in the processing...

15/05/2023

Inactivation of Penicillium italicum on kumquat via plasma-activated water and its effects on quality attributes

11/05/2023

Các tiến bộ gần đây trong lĩnh vực plasma không nhiệt (nonthermal plasma - NTP) đã mở ra những triển vọng mới về việc sử dụng plasma trong các ứng dụng y sinh học, xử lý vi khuẩn, bảo quản thực phẩm và bảo vệ môi trường. NTP là một công nghệ đặc biệt, tạo ra các chất hóa học có tính tác động cao như oxy và nitơ, có thể sử dụng để tiêu diệt vi khuẩn, làm tăng tuổi thọ và bảo quản thực phẩm, và xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường.

Đối với các ứng dụng NTP, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu và tìm cách cải tiến quá trình. Họ đã phát hiện rằng việc sử dụng chất xúc tác trong quá trình NTP có thể tăng hiệu suất đáng kể. Chất xúc tác được đặt ở vị trí chiến lược trong thiết bị NTP và giúp tăng cường quá trình xử lý so với việc sử dụng NTP đơn thuần. Điều này đặc biệt quan trọng khi áp dụng NTP để loại bỏ các chất ô nhiễm trong môi trường.

Đánh giá bài viết này nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về những tiến bộ gần đây trong ứng dụng NTP trong lĩnh vực y sinh học, xử lý vi khuẩn, bảo quản thực phẩm và môi trường. Bài viết này sẽ tập trung vào các khía cạnh như cơ chế hoạt động của NTP, tác động lên vi khuẩn và thực phẩm, và tạo môi trường xúc tác phù hợp. Hiểu rõ hơn về những khía cạnh này sẽ góp phần quan trọng trong việc phát triển và áp dụng công nghệ NTP trong các lĩnh vực y sinh học và bảo vệ môi trường.

1. Introduction

Nhà vật lý người Mỹ Irving Langmuir đã xác định plasma là trạng thái thứ tư của vật chất vào năm 1922 [1]. Plasma là khí đã bị ion hóa hoàn toàn hoặc một phần. Để tách các electron khỏi nguyên tử, cần cung cấp đủ năng lượng cho khí, dẫn đến sự kết hợp của các electron tự do, gốc tự do, các hạt trung hòa và các loại hạt mang điện tích dương [2-4]. Plasma không nhiệt (Nonthermal plasma - NTP) hoặc plasma không khí lạnh khác với plasma nhiệt là do tính chất của electron, ion và trung tính. Các hạt mang điện tích, các chất tạo hoạt tính oxy (ROS), các chất tạo hoạt tính nitơ (RNS), trường điện từ, trường điện, khả năng ảnh hưởng đến pH, ánh sáng có thể nhìn thấy, các hạt mang điện tích, các loại hạt trung hòa, ozon và tia cực tím (UV) được tìm thấy trong NTP như được hiển thị trong Hình 1, làm cho nó trở thành một công cụ khả thi cho nhiều nhiệm vụ khác nhau [5-9]. Nhiệt độ của electron plasma có thể đạt hàng chục nghìn kelvin, vượt quá đáng kể so với nhiệt độ khí trung tính xấp xỉ nhiệt độ phòng. Trong toàn bộ, hầu hết các plasma đều có tính trung tính điện, điều này đóng góp vào các tính chất độc đáo và phân loại plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Các thông số của plasma có thể thay đổi một cách đáng kể tùy thuộc vào năng lượng

Các thiết bị plasma không nhiệt (NTP) như jet plasma, dielectric barrier discharge (DBD) plasma và spark plasma (như được miêu tả trong Hình 2a) thường hoạt động trong môi trường phòng, làm cho chúng lý tưởng cho nghiên cứu khoa học về sinh học [9-12] và một loạt các ứng dụng y sinh học [13-22]. Nhờ vào tính chất của chúng, các thiết bị NTP này đã mở ra nhiều tiềm năng mới trong lĩnh vực y tế, bao gồm khử trùng, khử trùng da, điều trị bệnh răng miệng, đông máu, lành vết thương, điều trị ung thư và trị liệu miễn dịch [23]. Ngoài ra, các thiết bị phóng điện dạng vạch chéo (gliding arc discharge - Hình 2d) và phóng điện qua corona (corona discharge - Hình 2e) thường được sử dụng trong các ứng dụng môi trường như loại bỏ các chất ô nhiễm khí.

1.1. Plasma

Plasma, chiếm 99% tổng vật chất trong vũ trụ, là loại chất phổ biến nhất. Mặt trời và các ngôi sao khác, các thiên hà, gió mặt trời, sét và ánh sáng phương bắc đều là những ví dụ về trạng thái plasma. Các thiết bị plasma như TV plasma, đèn neon và đèn huỳnh quang, và các màn hình plasma là những ứng dụng phổ biến của plasma do con người tạo ra. Từ Hình 1 và 2c, có thể thấy rằng plasma được tạo thành từ các hạt có tính chất trung tính, ion hóa và/hoặc kích thích, các ion và phân tử, và ozon, có khả năng ảnh hưởng đến pH của dung dịch, cũng như sự tồn tại của các chất oxy hóa hoạt tính (ROS) và chất nitơ hoạt tính (RNS) khác nhau. Plasma tạo ra từ một số khí khác nhau cũng là nguồn tia cực tím (UV) và tia cực tím chân không đáng kể [24]. Plasma là một công nghệ xử lý vật liệu độc đáo vì nó có thể sử dụng một thành phần đơn lẻ hoặc một hỗn hợp các thành phần.

Hình 2. Sơ đồ cung cấp NTP cho các ứng dụng y sinh học: (a) các thiết bị NTP phổ biến, bao gồm plasma jet, DBD và spark discharge; (b) môi trường plasma chứa các chất hoạt tính, electron, ion khác, sóng và lực vật lý; và (c) các loại cung cấp plasma, bao gồm ứng dụng trực tiếp, phương tiện được kích hoạt bởi plasma, cung cấp thông qua thiết bị hỗ trợ và phương pháp điều trị. Được tái in với sự cho phép từ tài liệu tham khảo [1]. Bản quyền 2022, Elsevier. Các thiết bị phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng môi trường là (d) gliding arc discharge plasma và (e) corona discharge plasma.

1.2. Thermal and Nonthermal Plasmas

Tất cả các hạt trong một plasma nhiệt đều có cùng nhiệt độ và hoàn toàn ion hóa. Plasma nhiệt được gọi bằng các tên khác như plasma nóng, plasma hoàn toàn ion hóa và plasma cân bằng. Tùy thuộc vào yêu cầu, plasma cân bằng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau [25]. Plasma là một loại khí (một phần) ion hóa bao gồm các loài trung tính (phân tử, gốc tự do, các loài kích thích), ion, photon và electron. Vì nhiệt độ electron cao hơn nhiệt độ của các loài nặng (ion và trung tính) trong plasma không nhiệt (NTP) hoặc plasma không cân bằng, các gốc tự do và các loài kích thích được tạo thành ở nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng. Phân bố năng lượng không nhiệt này cung cấp một con đường tiềm năng để vượt qua các hạn chế động học và nhiệt động lực trong quá trình chuyển hóa hóa học các chất phản ứng thành các sản phẩm mong muốn.

Công nghệ NTP (plasma không nhiệt) phù hợp để xử lý một loạt các vật liệu sinh học, bao gồm chất rắn, chất lỏng và hạt phun. Điều này là do NTP có nhiệt độ thấp khi được áp dụng. Có nhiều ứng dụng cho hai loại NTP khác nhau, đó là NTP áp suất thấp và NTP áp suất khí quyển [26–29]. Mặc dù plasma áp suất khí quyển chỉ được phép ở những khu vực có trường điện mạnh, nhưng plasma áp suất thấp có thể lan rộng trên một diện tích đáng kể [30]. So với plasma áp suất thấp, plasma áp suất khí quyển có thể mang lại nhiều ứng dụng hấp dẫn hơn. Việc duy trì plasma thường được thực hiện thông qua các xả điện. Mặc dù sự hiện diện của các loại chất hoạt tính ảnh hưởng đến nhiệt độ của khí, chúng có tính phản ứng hóa học cao hơn nhiều so với khí ban đầu. Plasma áp suất khí quyển đã được sử dụng trong các hệ thống sinh học vì các lợi ích thực tiễn [28].

2. Generation of Reactive Species in NTP Discharge

Tạo ra các loại chất hoạt tính trong NTP

NTP được công nhận vì tạo ra nồng độ rất cao các loại chất hoạt tính. NTP tạo ra nhiều loại ROS như gốc OH, O2, H2O2, O, O3 và ^1O2, cũng như các loại RNS như NO, NO2, N2O, N2O5 và nguyên tử N [5]. Một số loại như gốc OH, O, NO, N và ^1O2 có tuổi thọ ngắn [19]. Sự phân tử plasma helium cũng đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu [31–34]. Các cơ chế tạo ra ROS trong plasma jets helium đã được báo cáo rõ ràng [35]. Một số loại như N2+, các gốc nguyên tử (He, O) và phân tử OH đã được phát hiện trong sự phân tử helium [32, 34].

RONS, còn được gọi là các chất hoạt tính chính, được tạo ra bởi năng lượng phát sinh trong quá trình va chạm giữa electron gia tốc và các hạt không ion. Trong pha khí ngay sau va chạm, electron (e^-), các hạt không ion hóa và khí (M+), các hạt kích thích và khí (M*), N, O, nguyên tử H, NO và O2* được tạo ra [13]. Chúng được phân loại là các chất hoạt tính chính [36], và cường độ của các chất này rất cao trong vùng plasma.

Tuổi thọ của các chất hoạt tính chính tương đối ngắn; ví dụ, tuổi thọ của gốc OH, NO và O2*^- lần lượt là 2.7 µs, 1.2 µs, 1.4 µs và 1.3 µs [37]. Một số chất hoạt tính này ngay lập tức trải qua quá trình suy giảm phát xạ, trong khi các chất khác kết hợp với hạt không ion, phân tử nước và các chất hoạt tính khác. Các chất hoạt tính chính chuyển thành các chất hoạt tính phụ như H2O2, NO2, NO3 và O3 [38] trong môi trường xung quanh, như được thể hiện trong Hình 3. Pha lỏng (hoặc mục tiêu khác) là nơi các RONS được tạo ra trong pha khí tan trong và hình thành các chất hoạt tính thứ cấp. Các chất hoạt tính thứ cấp được hình thành khi các RONS được tạo ra trong pha khí tan trong pha lỏng [36].

Các chất hoạt tính có tuổi thọ lâu bao gồm O3, H2O4, NO3 và NO2 do tuổi thọ của chúng kéo dài từ vài mili giây đến vài ngày [39]. Nước có thể tan chất H2O2, NO2 và NO3; NO2 và NO3 được chuyển ngay lập tức thành NO2^- và NO3^- tương ứng [13, 40]. Tuỳ thuộc vào nguồn plasma, khí làm việc, nguồn điện, thời gian xử lý và thể tích mẫu, các chất hoạt tính này có thể làm giảm pH của chất lỏng mục tiêu lên đến 2 đơn vị [40]. Tuy nhiên, việc mục tiêu là khô hay có nước sẽ ảnh hưởng đến quá trình hóa học của việc hình thành ROS và RNS trong mục tiêu [40]. Hình 3 mô tả đường biên các khu vực mục tiêu, khí, giao diện plasma/mục tiêu và khu vực xả của việc hình thành RONS.

Plasma không trực tiếp được tạo ra giữa hai điện cực của các thiết bị cụ thể và được truyền đến khu vực ứng dụng thông qua dòng khí. ROS thường được tạo ra ở biên của các dòng chất lỏng với không khí xung quanh do nhiều nguyên nhân khác nhau. Một số tác giả cho rằng ROS được tạo ra bởi plasma có thể gây biến đổi hình thái, giảm điện thế màng, gây peroxid hóa lipid và gây tổn thương ADN trong tế bào [43–46]. Việc vận chuyển các loại chất hoạt tính oxy/nitơ phản ứng (RONS) là cơ chế chính của tác động chống ung thư của NTP [47]. Số lượng chất hoạt tính tạo ra trong các chất lỏng được xử lý bằng plasma rất quan trọng trong điều trị bằng plasma. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc sử dụng plasma để điều trị ung thư bằng cách tạo ra ROS [48–50]. Trong tế bào người, xử lý bằng plasma làm mất điện thế màng mitochondria, dẫn đến sự tạo ra ROS [51]. Hiệu quả điều trị của plasma có liên quan đến việc tạo ra RONS như H2O2, Ox, OH, •O2 và NOx do mất điện thế màng mitochondria và tích tụ ROS [49]. Các báo cáo trước đây cung cấp giải thích chi tiết hơn về tương tác plasma- chất lỏng và lộ trình của plasma [23,52,53].

3. Ứng dụng NTP trong điều trị ung thư

Công nghệ NTP đã tiến bộ đáng kể trong hai thập kỷ qua, từ nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đến triển khai thực tế. Việc tạo ra plasma ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng để làm việc với hệ thống sinh học đã tạo ra một lĩnh vực đa ngành mới được gọi là "y học plasma". NTP có nhiều tiềm năng trong kỹ thuật sinh học ngày nay [54]. Hình 4 mô tả sự tương tác giữa NTP và hệ thống sinh học, cho thấy các cơ chế phân tử chính liên quan đến việc sử dụng NTP trong điều trị ung thư. Công nghệ NTP có tiềm năng cung cấp một phương pháp phẫu thuật ít xâm lấn hơn để loại bỏ các tế bào cụ thể mà không gây tổn thương cho mô xung quanh. Phẫu thuật bằng laser truyền thống dựa trên tiếp xúc nhiệt, có thể dẫn đến tử vong tế bào không cố ý (necrosis) và tổn thương mô kéo dài. Trái lại, việc tiếp xúc của NTP với mô cơ thể có thể cho phép loại bỏ tế bào một cách lựa chọn mà không gây ra tử vong tế bào không cố ý [55]. Việc tách rời tế bào, sự tác động lên vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến sự sống của tế bào, sự tổ chức chết được điều chỉnh và các tương tác khác là những ví dụ về các tương tác này. Công nghệ NTP cũng có thể được sử dụng trong các phương pháp thẩm mỹ để tái tạo kiến trúc da dạng liên kết.

[56]. Mục tiêu của việc tiếp xúc plasma với mô là hoạt động dưới ngưỡng tổn thương nhiệt độ và gây ra các phản ứng hoá học hoặc biến đổi cụ thể từ mặt hóa học, chứ không phải là làm biến đổi cấu trúc của mô. Sự hiện diện của plasma, đặc biệt có thể tăng cường các quá trình hóa học có hiệu quả mong muốn. Áp suất, thành phần khí và công suất có thể được điều chỉnh để tăng cường các phản ứng hóa học. Do đó, tìm ra điều kiện plasma tạo ra ảnh hưởng tích cực đối với mô mà không cần xử lý nhiệt là rất quan trọng. NTP tạo ra nhiều loại chất phản ứng khác nhau có thể được sử dụng để tăng cường căng thẳng oxy hóa trong tế bào ung thư và cuối cùng giết chết chúng [41,57,58]. Có thể tạo ra nhiều ROS khác nhau trong plasma và một số trong số chúng có thể gây ra căng thẳng oxy hóa trong tế bào [47]. Do đó, nó có thể thay đổi bất kỳ con đường nào được điều chỉnh bởi hoặc liên quan đến ROS, trực tiếp hoặc gián tiếp [41,59]. Nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng tế bào ung thư tạo ra nhiều ROS hơn [60] và do đó dễ bị căng thẳng oxy hóa cao hơn so với tế bào bình thường, làm cho chúng trở nên thích hợp hơn cho việc mục tiêu hóa bằng ROS kết hợp với công nghệ plasma [61,62]. Bởi vì hoạt động tiêu diệt của NTP đối với tế bào ung thư cao hơn so với tế bào bình thường, kết quả của điều trị ung thư bằng NTP có triển vọng hơn [62]. Các ứng dụng y học NTP đã đạt được bước tiến đáng kinh ngạc này từ khi khám phá ban đầu đến công nghệ [61,62]. Bởi vì hoạt động tiêu diệt của NTP đối với tế bào ung thư cao hơn so với tế bào bình thường, kết quả của điều trị ung thư bằng NTP có triển vọng hơn [62].

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về ứng dụng plasma trong điều trị ung thư đã tiến xa từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng lâm sàng [63]. Các nghiên cứu trước đây đã nghiên cứu về thời gian điều trị tối ưu để tối đa hóa hiệu quả chống ung thư của plasma [33,64–66]. Việc cải thiện thời gian hoạt động của plasma trong quá trình điều trị là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết. Các hiệu ứng y sinh học được tác động trực tiếp bởi mức độ RONS, mà cũng bị tác động trực tiếp bởi thời gian hoạt động của plasma. Gần đây, nghiên cứu về tác động của thời gian hoạt động của plasma đã được tiến hành với việc giữ nguyên tỷ lệ nhiệm vụ và thời gian điều trị (Hình 5) [67]. Thời gian hoạt động của plasma đã được chọn là 25, 50, 75 và 100 ms cho tỷ lệ nhiệm vụ là 10% và 36% tương ứng. Hình 5a-c miêu tả, tương ứng, các thiết lập thực nghiệm, hình ảnh chụp trong quá trình chuẩn bị Plasma Treated Medium (PTM) bằng dòng plasma mềm và ứng dụng PTM lên tế bào. Hình 5d, e cho thấy nồng độ NOx trong PTM tương ứng với thời gian hoạt động của plasma, trong tỷ lệ nhiệm vụ 10% và 36%. Tương tự, Hình 5f, g thể hiện nồng độ H2O2. Hình 5h, i chỉ ra khả năng sống còn của dòng tế bào U87-MG khi áp dụng PTM. Đáng chú ý rằng việc tăng thời gian hoạt động của plasma đã làm tăng đáng kể mức độ ROS/RNS trong PTM và ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sống còn và mức độ ATP của dòng tế bào U87-MG. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy sự tiến bộ đáng kể thông qua việc tối ưu hóa thời gian hoạt động của plasma để nâng cao hiệu quả của dòng plasma mềm trong các ứng dụng y sinh học [67]. Một điều rất thú vị từ nghiên cứu này là mức độ ROS/RNS có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhu cầu bằng cách điều chỉnh thời gian hoạt động của plasma trong phạm vi tỷ lệ nhiệm vụ và thời gian điều trị cố định.

Hình 5. (a) Sơ đồ của chiếu plasma mềm và thiết lập thực nghiệm. Khi chuẩn bị PTM, hai tỷ lệ nhiệm vụ cố định là 10% và 36% được giữ nguyên, cùng với thời gian điều trị cố định là 7 phút; chỉ thời gian hoạt động của plasma được thay đổi (25, 50, 75 và 100 ms). (b) Hình ảnh của chiếu plasma mềm trong quá trình điều trị và (c) ứng dụng PTM cho dòng tế bào U87-MG. (d, e) Nồng độ NOx trong PTM khi thay đổi thời gian hoạt động của plasma khi tỷ lệ nhiệm vụ (10% và 36%) và thời gian điều trị được giữ nguyên. (f, g) Nồng độ H2O2 tương ứng với thời gian hoạt động của plasma trong tỷ lệ nhiệm vụ 10% và 36%. (h, i) Tính sống còn của tế bào khi thay đổi thời gian hoạt động của plasma. Nồng độ NOx và H2O2 tăng đáng kể khi chỉ thời gian hoạt động của plasma tăng lên 25, 50, 75 và 100 ms, điều này cho thấy sự suy giảm thêm trong khả năng sống của các tế bào ung thư não [67]. Ý nghĩa của các nhóm điều trị được chỉ ra bằng * p < 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001, ns—không có ý nghĩa đáng kể.

44 Một phương pháp điều trị ung thư mới đang được phát triển bởi lĩnh vực đa ngành y học plasmamedicine, kết hợp vật lý plasma, hóa học, sinh học và y học lâm sàng. Để nhắm mục tiêu cụ thể các tế bào ác tính để ngăn chặn sự phân chia tế bào và tiến triển của khối u, phương pháp này chủ yếu dựa vào việc sử dụng plasma ở nhiệt độ thấp và áp suất không khí. Một cuộc thảo luận toàn diện được thực hiện về các cơ chế tác động trong tế bào, các con đường quan trọng và tính chọn lọc của NTP đối với tế bào ung thư, như được hiển thị trong Hình 4. Các thí nghiệm in vivo, in vitro và in ovo đều được tiến hành bằng công nghệ NTP. Hình 6 mô tả hai thí nghiệm in vivo và in ovo gần đây sử dụng NTP cho mục đích chống ung thư. Theo các báo cáo và kiến thức rộng rãi, NTP tăng tỷ lệ tử vong trong các tế bào ung thư so với nhóm kiểm soát (Hình 6a) [68].

(b) Biểu đồ mô tả kế hoạch thực nghiệm in vivo. Sau khi tiêm tế bào FRO-Luc vào chuột, hình ảnh cuối cùng của khối u được theo dõi bằng hệ thống hình ảnh IVIS, và hình ảnh cuối cùng của khối u. (c) Cơ chế tiềm năng theo nghiên cứu, trục THCA ROS/EGR1/GADD45α được kích hoạt bởi NTPAM [68]. Trong mô hình in ovo, liệu pháp NTP giảm biểu hiện CD47 trong khối u melanoma A375. (d) Hình minh họa của trứng đã được xử lý trực tiếp bằng NTP. Khối u được loại bỏ ngay sau liệu pháp hoặc 24 giờ sau đó, được cắt thành các mảnh, và (e) được nhuộm với CD47 (màu đỏ) và đối nghịch với DAPI (màu xanh). (f) Đánh giá lượng CD47 được so sánh với nhóm không được xử lý. Trong môi trường in vivo, liệu pháp NTP giảm thể tích khối u và giảm một cách nhỏ biểu hiện CD47. (g,h) Thiết kế thực nghiệm và liệu pháp NTP trực tiếp trong 5 ngày sau khi phát triển khối u melanoma B16F10 trên chuột. (i) Khối u được loại bỏ ngay sau liệu pháp hoặc 72 giờ sau liệu pháp. (j) Sau liệu pháp, thể tích khối u cũng giảm. (k) Đánh giá lượng CD47 [69]. Ý nghĩa của các nhóm liệu pháp được chỉ ra bởi * p < 0.05, ** p < 0.01, ns—không có ý nghĩa đáng kể.

Có sự thiếu hiểu biết về cơ chế phân tử đằng sau hiệu quả điều trị ung thư của NTP đối với ung thư tuyến giáp. Một nghiên cứu gần đây đã khám phá hiệu ứng chống ung thư của môi trường được kích hoạt bởi NTP (NTPAM) đối với tế bào ung thư tuyến giáp và làm sáng tỏ các cơ chế tín hiệu gây ra tử vong tế bào ung thư tuyến giáp do NTPAM gây ra [68]. Phân tích in vivo cho thấy, so với các nhóm kiểm soát, các nhóm được điều trị bằng NTPAM có trọng lượng khối u thấp đáng kể (Hình 6b). Kết quả nghiên cứu cho thấy NTPAM ức chế sự tăng trưởng của tế bào THCA mạnh hơn so với nhóm kiểm soát và ROS điều khiển EGR1/GADD45α để trung gian cho sự tử vong tế bào do NTPAM gây ra (Hình 6c). Nghiên cứu gần đây cung cấp một hiểu biết mới về các cơ chế hóa học cơ bản đằng sau tương tác giữa NTP và tế bào ung thư cũng như một lợi ích trước đây chưa được công nhận của phương pháp điều trị ung thư NTP hiện tại: giảm tín hiệu miễn dịch kìm hãm trên bề mặt tế bào ung thư (Hình 6g–k) [69]. Việc có một hiểu biết tổng thể về các cơ chế cơ bản sẽ giúp các nhà nghiên cứu giải thích rõ hơn nhiều mâu thuẫn. Điều này bao gồm việc chọn các thông số plasma tốt nhất để điều chỉnh sự kết hợp và nồng độ của các chất phản ứng, đưa plasma đến các khối u sâu bên trong và xác định liều plasma tốt nhất để đạt được các kết quả chuyển đổi lâm sàng cụ thể. Thiết kế các nguồn plasma nhiệt độ thấp đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị y tế là một phương pháp độc đáo cho điều trị ung thư trong các thử nghiệm lâm sàng, nhưng nó vẫn phải an toàn và hiệu quả hơn.

Bảng 1 cung cấp một tóm tắt về một số tiến bộ gần đây của NTP được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu trong các ứng dụng chống ung thư.

07/05/2023

2.1 Plasma state

Trạng thái plasma phổ biến trong nhiều đối tượng khác nhau như: các ngôi sao, không gian liên sao, công nghệ chiếu sáng, các reac-tơ nghiên cứu năng lượng hạt nhân, máy lọc bụi điện tĩnh, cầu dao điện, phóng xạ tĩnh, vv. Mô tả toàn bộ không gian tham số mà trạng thái plasma chiếm là ngoài phạm vi của cuốn sách này, do đó chương này sẽ tập trung chỉ vào plasma lạnh được xem là khả thi cho các ứng dụng thực phẩm. Plasma đúng là được gọi là trạng thái chất thứ tư và nằm trong thứ tự các trạng thái: rắn, lỏng, khí và plasma. Mức độ ion hóa mô tả sự chuyển tiếp từ khí tinh khiết (mức độ ion hóa bằng 0) sang plasma được ion hóa hoàn toàn (mức độ ion hóa đạt 100%). Thêm vào sự phức tạp liên quan đến mức độ ion hóa là thực tế rằng hầu hết các nguyên tử trung tính (chỉ có hydro nguyên tử là ngoại lệ) và tất cả các phân tử trung tính có thể chuyển tiếp thành các loài ion hóa nhiều lần. Sự phức tạp bổ sung của plasma nảy sinh do một số loài trung tính có tiết diện hấp thụ cho phép bắt đầu bằng các electron tự do và chúng có thể hình thành các ion âm trong trạng thái plasma. Cả bốn pha của chất liệu có thể dễ dàng cùng tồn tại nếu các hạt rắn và lỏng được phun vào trong plasma bị ion hóa một cách bất hoạt.

Các điều kiện plasma lạnh tồn tại trong quá trình xử lý thực phẩm bao gồm: (1) sự tụ hợp của các chất hóa học trong giai đoạn khí (thực chất là giai đoạn plasma), bao gồm các nguyên tử trung hòa, phân tử trung hòa, các gốc hoá học kích hoạt trung hòa, electron tự do, ion dương và ion âm; (2) electron tự do là loại chất hóa học duy nhất trong bộ tụ hợp này có đủ năng lượng động để gây ra va chạm ion hóa; (3) các chất hóa học khối lượng (không phải là electron tự do) có nhiệt độ có thể coi là "lạnh" hoặc "gần phòng nhiệt"; (4) va chạm của electron tự do với các loại chất hóa học có liên kết hóa học có thể dẫn đến các sự kiện cắt đứt liên kết tạo ra các loại chất hóa học kích hoạt trung hòa được sử dụng để xử lý thực phẩm; và (5) electron tự do đạt năng lượng động cao của chúng thông qua gia tốc bởi trường điện (xem phương trình 1.1).

Những loại hạt mang điện tích (như electron tự do, ion dương, và đôi khi ion âm) là những yếu tố đặc trưng cho trạng thái plasma so với trạng thái khí. Plasma lạnh là một trạng thái phi cân bằng độc đáo, trong đó nhiệt độ của các hạt lớn là gần bằng nhiệt độ phòng trong khi electron tự do có động năng đủ để phá vỡ liên kết hóa học và gây ra va chạm ion hóa. Khác với plasma lạnh là plasma lý tưởng ở trạng thái cân bằng nhiệt độ hoàn toàn (CTE) đã được mô tả bởi những người khác (Fridman và Kennedy, 2011b) có tất cả các đặc tính của plasma (phân phối vận tốc dịch chuyển cho mỗi loài; phân phối trạng thái điện tử kích thích; tỉ lệ của các loài hóa học; phân phối mật độ phổ của các photon, và nhiều hơn nữa) là các hàm không mâu thuẫn của một nhiệt độ duy nhất. Trong môi trường khí nền tĩnh (không vận tốc dịch chuyển) và một trường E, electron tự do đạt được vận tốc dòng chất lỏng được xác định bởi

Trong đó u_e là vận tốc dòng chất điện tử với đơn vị m/s được mô tả như tích của độ dẫn j_e với đơn vị m2 V-1 s-1 và E-field với đơn vị V/m. Giá trị tuyệt đối của độ dẫn điện tử xuất hiện trong công thức (1.2), trong khi dấu âm mô tả rõ ràng cho thấy các điện tử, bằng tính chất mang điện âm của chúng, sẽ di chuyển ngược chiều với E-field (xem công thức 1.1). Nếu các điện tử có vận tốc nhiệt động ngẫu nhiên bên cạnh vận tốc dòng chất, thì nhiệt độ Te (được biểu diễn trong chương này dưới dạng độ Kelvin) là thích hợp. Mô hình hóa sự vận chuyển của các điện tử bằng dòng chảy và khuếch tán (ngoài độ dẫn) dẫn đến phương trình sau cho u_e.

Trong đó uc là vận tốc dòng chảy của khí nền không ion hóa với đơn vị là m/s, ni là mật độ số nguyên tử ion loại i với đơn vị là m−3, Di là hệ số truyền dẫn của ion loại i với đơn vị là m^2/s, và rni là độ dốc của mật độ số ion loại i với đơn vị là m^-3/m. Đối với nhiều reaktor, khí mang chất lượng là khí mang chất lượng vô hại như argon hoặc helium, do đó chỉ số dưới "c" trên uc trong Công thức (1.4).

Trong đó uᵢ là vận tốc dòng chất lỏng cho ion loại i, jKiᵢ là giá trị tuyệt đối của độ dẫn cho ion loại i, Di là hệ số lưỡng cư cho ion loại i trong khí mang, rni là độ dốc của mật độ số ion, và dấu cộng hoặc trừ biểu thị cho cực của các ion loại i. Đơn vị cho Công thức (1.4) là giống với đơn vị được mô tả cho Công thức (1.3). Như với electrons, ion cũng có một vận tốc nhiệt ngẫu nhiên với nhiệt độ tương ứng Ti có đơn vị K, gần với nhiệt độ phòng cho plazma lạnh.

Đối với các hệ thống plasma lạnh gần áp suất khí quyển, các mô hình kỹ thuật đơn giản nhất cho trường dòng khí mang được tạo ra bằng cách sử dụng các gói phần mềm thương mại (Ambaw et al., 2017; Defraeye và Radu, 2017; O'Sullivan et al., 2017) để giải đồng thời phương trình động lượng Navier-Stokes và phương trình liên tục được trình bày, tương ứng, trong hai phương trình đơn giản sau đây:

trong các hệ thống plasma lạnh ở áp suất gần khí quyển, các mô hình kỹ thuật đơn giản nhất cho lưu chất mang được tạo ra bằng cách sử dụng các gói phần mềm thương mại (Ambaw et al., 2017; Defraeye và Radu, 2017; O'Sullivan et al., 2017) để giải đồng thời phương trình động lượng Navier-Stokes và phương trình liên tục được thể hiện lần lượt trong hai phương trình đơn giản sau đây:

Để mô hình các trường dòng trong hệ thống plasma lạnh ở áp suất gần khí quyển, các gói phần mềm thương mại thường được sử dụng để đồng thời giải quyết phương trình động lực học Navier-Stokes và phương trình liên tục. Các phương trình này mô tả luồng khí của chất mang nền trung tính, bao gồm các lực lưu chất và độ nhớt, cũng như các lực bên ngoài và độ dịch chuyển của lưu lượng khí. Các lớp biên động của chất mang nền trung tính gần các tường của bình phản ứng và các điện cực cũng được tính toán. Định luật khí lý hoàn hảo được sử dụng để biểu diễn áp suất của chất mang nền, và ở áp suất khí quyển, mật độ số của chất mang nền thường được xếp hàng trên Loschmidt.

Cần lưu ý rằng việc mô hình trường dòng chất mang nền không tính đến những nguồn hao hụt của các nguyên tử chất mang nền do các va chạm ion hóa của electron tự do với các nguyên tử chất mang nền. Các chất mang nền thông thường cho hệ thống plasma lạnh là helium và argon vì tính sẵn có của chúng, tính không hoạt tính hóa học và khả năng duy trì sự phân bố plasma qua các trạng thái siêu phân tử. Hành vi của phân bố plasma cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các va chạm trao đổi động lượng giữa các loài ion và các chất mang nền trung tính.

Để mô hình các trường dòng trong hệ thống plasma lạnh ở áp suất gần khí quyển, các gói phần mềm thương mại thường được sử dụng để đồng thời giải quyết phương trình động lực học Navier-Stokes và phương trình liên tục. Các phương trình này mô tả luồng khí của chất mang nền trung tính, bao gồm các lực lưu chất và độ nhớt, cũng như các lực bên ngoài và độ dịch chuyển của lưu lượng khí. Các lớp biên động của chất mang nền trung tính gần các tường của bình phản ứng và các điện cực cũng được tính toán. Định luật khí lý hoàn hảo được sử dụng để biểu diễn áp suất của chất mang nền, và ở áp suất khí quyển, mật độ số của chất mang nền thường được xếp hàng trên Loschmidt.

Cần lưu ý rằng việc mô hình trường dòng chất mang nền không tính đến những nguồn hao hụt của các nguyên tử chất mang nền do các va chạm ion hóa của electron tự do với các nguyên tử chất mang nền. Các chất mang nền thông thường cho hệ thống plasma lạnh là helium và argon vì tính sẵn có của chúng, tính không hoạt tính hóa học và khả năng duy trì sự phân bố plasma qua các trạng thái siêu phân tử. Hành vi của phân bố plasma cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các va chạm trao đổi động lượng giữa các loài ion và các chất mang nền trung tính.

Sự tương tác giữa các ion và khí mang hoạt động (carrier gas) có thể tạo ra lực hiệu quả trên khí mang hoạt động, dẫn đến mối liên kết phức tạp giữa dòng chảy của ion và khí mang hoạt động, với thuật ngữ "gió điện" được sử dụng để mô tả ảnh hưởng mà E-field và dòng chảy của ion có đối với dòng chảy của khí mang hoạt động thông qua các va chạm trao đổi động lượng giữa ion và khí mang hoạt động.

Trạng thái cân bằng điện tích toàn cầu (macroscopic) áp dụng cho cold plasma; tuy nhiên, ở một số vùng nhỏ (microscopic), có thể có các vùng có điện tích ròng như vùng bao quanh plasma/solid hoặc plasma/liquid. Vùng bao quanh plasma hình thành khi plasma nội bộ không bị ảnh hưởng gửi dòng chảy các electron tự do có khả năng di chuyển cao (so với ion dương ít di chuyển hơn) tới bề mặt chất rắn hoặc lỏng. Sự chênh lệch trong cường độ dòng giữa các electron và ion dương dẫn đến việc hình thành một E-field từ plasma tới giao mặt với bề mặt chất rắn hoặc lỏng, tăng cường dòng chảy của ion dương tới giao mặt. Tiềm điện tĩnh của hạt rắn hoặc lỏng để tạo ra dòng điện tĩnh không có tổng dòng điện được gọi là "tiềm điện nổi", còn "tiềm điện plasma" là tiềm điện tĩnh bên trong plasma không bị ảnh hưởng. Lý thuyết đầu dò Langmuir mô tả các đặc tính volt-ampe của một đầu dò dẫn nhỏ được đặt trong plasma (Chen, 1965). Khái niệm cơ bản trong lý thuyết đầu dò Langmuir là khoảng cách bảo vệ Debye λD được cho bởi

Khoảng cách bảo vệ Debye là một đại lượng đo lường độ dài mà trong đó có sự chênh lệch không gian điện tích trong plasma. Nó được tính bằng công thức dựa trên nhiều thông số vật lý như nhiệt độ của electron tự do, mật độ electron và điện tích điện tử. Bề dày của vỏ plasma thường là vài lần khoảng cách bảo vệ Debye, thường ở khoảng vài micromet cho nhiều loại plasma lạnh.

Khoảng cách bảo vệ Debye quan trọng vì nó giúp bảo vệ phần bên trong của plasma khỏi các tiếp điểm ngoài và các lĩnh vực điện trường bên ngoài trong vài khoảng cách bảo vệ Debye. Nói cách khác, plasma có thể hiệu quả cách điện bản thân khỏi ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài thông qua khoảng cách bảo vệ Debye.

Đầu của một trận dữ dội và đầu của một luồng sét là những nơi khác nơi mật độ không gian điện tích liên quan đến plasma lạnh có thể được tìm thấy. Nhìn chung, hiểu biết về khoảng cách bảo vệ Debye rất quan trọng để hiểu hành vi của plasma lạnh và cách nó tương tác với môi trường của nó.

Trường điện từ kết quả được tạo ra bởi sự kết hợp của các trường điện (E) và từ trường (B) liên quan đến điện tích và dòng điện ở bên ngoài của hệ thống. Khi các điện tích và dòng điện chuyển động trong không gian, chúng tạo ra các trường điện từ. Các trường này có thể tác động lên các đối tượng trong không gian xung quanh và ảnh hưởng đến hành vi của chúng. Do đó, việc hiểu cách các trường điện từ được tạo ra rất quan trọng để hiểu hành vi của hệ thống và tương tác của nó với môi trường xung quanh.

Các trường điện từ phát sinh kết hợp từ trường E và B liên quan đến điện tích và dòng chảy bên ngoài plasma, cũng như các trường điện từ do plasma cung cấp điện tích và dòng chảy tạo ra. Tức là, các loài mang điện tích trong plasma đóng góp và đồng thời phản ứng với các trường điện từ kết quả. Khi nguồn điện và điện áp bên ngoài plasma tạo ra các trường E- và B- tiếp cận plasma, plasma phản ứng thông qua phương trình (1.1) khi mỗi hạt plasma mang điện tích điều chỉnh quỹ đạo phản ứng với các trường E- và B- mới. Hành vi như vậy (phản ứng với các trường được áp dụng từ bên ngoài) dẫn đến hệ thống các hạt plasma mang điện tích hiệu quả bảo vệ phần bên trong của plasma khỏi các trường áp dụng từ bên ngoài. Với các trường điện và từ cung cấp lực phục hồi, plasma chứa nhiều hiện tượng sóng chuyển động cùng với nhiều tần số tự nhiên dao động. Chúng có thể tương tác với tần số kích thích cơ bản của nguồn cung cấp điện. Trong chương này, bốn tần số tự nhiên quan trọng được đề cập ngắn gọn với đơn vị Hz (Chen, 1984a),

Các tần số tự nhiên của plasma được tính dựa trên các thông số vật lý như mật độ electron và ion, điện tích của electron, hằng số điện trường của không khí, khối lượng của electron và ion, mật độ ion của từng loại ion và độ lớn của lực từ B (magnetic flux density). Hai tần số tự nhiên đầu tiên liên quan đến các dao động xảy ra khi mật độ electron và ion bị rối loạn và được phép trở lại giá trị ổn định của chúng. Hai tần số tự nhiên cuối cùng liên quan đến tần số quỹ đạo của electron và ion xung quanh lực từ B tại các vị trí trong plasma. Hiểu được các tần số tự nhiên của plasma là rất quan trọng trong thiết kế và điều khiển hệ thống plasma.

Hình 1.1 là một biểu đồ phác thảo về vòng xoay Cyclotron cho ion dương và electron. Mỗi hạt mang điện tích đi theo trung tâm hướng dẫn của nó khi chúng trôi sang phải, trong khi thực hiện vòng xoay Cyclotron quanh lực từ B được áp dụng, được đại diện bởi hai mũi tên ngắn. Bán kính Larmor cho ion và electron lần lượt là RLi và RLe. Biểu đồ này không được vẽ tỉ lệ.

Hình 1.1 là một sơ đồ minh họa cho quỹ đạo cyclotron của các hạt mang điện tích dương và điện tử trong một trường từ B thẳng đều. Mỗi hạt mang điện tích sẽ tuân theo trung tâm hướng dẫn của nó khi nó di chuyển sang phải, đồng thời thực hiện các vòng xoay cyclotron quanh trường từ B được đại diện bởi hai mũi tên ngắn được đánh dấu. Bán kính Larmor của ion và electron tương ứng là RLi và RLe. Đường vẽ này không tỉ lệ với thực tế.

Trong các phương trình (1.10-1.13), giả định rằng các ion đã bị ion hóa một lần. Trong phương trình (1.12) và (1.13), dấu trị tuyệt đối loại bỏ sự không rõ ràng về dấu trừ thường đi kèm với điện tích điện tử e. Điện tích điện tử được bình phương trong các phương trình (1.10) và (1.11), do đó không có sự không rõ ràng này trong các phương trình này.

Các quỹ đạo của các hạt mang điện tích trong plasma có áp suất thấp được hình thành theo dạng vòng xoắn xoắn như trong Hình 1.1, minh họa cho chuyển động cyclotron liên quan đến electron và ion dương xoay quanh trường từ B. Hình 1.1 cũng cho thấy rằng plasma nam châm là diamagnetic, nghĩa là trường từ của các quỹ đạo của các hạt mang điện tích sẽ làm yếu trường từ B được áp dụng (trường từ tổng hợp nhỏ hơn so với trường từ B được áp dụng). Với các reactor plasma lạnh áp suất thấp, khi các quỹ đạo này ít bị gián đoạn bởi các va chạm với các phân tử trung hòa nền tảng, trường từ B được áp dụng hiệu quả trong việc giữ plasma lại, do đó giảm thiểu mất mát các hạt mang điện tích đến tường reactor. Sự giữ lại bằng trường từ là một trong những lợi thế của các reactor plasma lạnh áp suất thấp. Các quỹ đạo cyclotron có các chuyển động hướng dẫn trung tâm di chuyển song song hoặc đối song song với trường từ B được áp dụng. Hình 1.1 cũng chứa bán kính Larmor liên quan đến các quỹ đạo cyclotron.